種30萬棵樹，他們用10年做了一個森林控制實驗

BEF-China 項目在江西德興市新崗山鎮建立的大型森林控制實驗樣地 黃園園攝

■本報記者 胡珉琦

過去10年，來自中國、瑞士和德國的科學家在江西新崗山鎮的一個山頭種了30萬棵樹，然後做了一個實驗。

他們發現，如果在一片林地上種有16種樹木，那麼每公頃林地上生物量平均可以存儲約32噸碳；如果林地的樹種越來越少，到只剩下一種，那麼，每公頃純林的碳存儲只有約12噸，不到前者的一半。

過去已有研究表明，物種多樣性越高，就越能存儲碳，同時提升系統生產力。而這項研究第一次明確地給出了證據，更高的生物多樣性就是直接導致更高碳儲量的原因。

就是這樣一個看似簡單的結果，近期發表於《科學》上，在生態學界受到了不小的關注。

生物多樣性喪失的危害正在發生

不久之前，世界自然基金會WWF發布了最新的《地球生命力報告2018》，報告顯示物種滅絕的速度越來越快。

物種滅絕不僅會危害人類的未來，也會影響人類的當下。早在上個世紀80年代，科學家研究物種喪失速率時就發現，物種的減少可能影響生境的變化、生物地球化學循環和生態系統生產力等生態系統的結構和功能。

實際上，在兩個世紀以前，達爾文在《物種起源》里就介紹了一個19世紀初進行的實驗，有人在一塊土地上播種一個草種，同時在另一塊相像的土地上播種若干不同屬的草種。最終，後一塊土地上能生長出更多的植物，收穫更大重量的乾草。

這樣一個看似簡單的結論，直到現在，也依然是生態學領域內非常重要又充滿了不確定性和爭議的課題，因為證明的過程比想像的要困難得多。

研究者需要經過各種各樣反覆的實驗去論證，生物多樣性與生態系統功能之間的關係是真實的，其中的負面影響究竟會到達什麼程度，這一關係還會受哪些因素的影響，關係背後的機制又是什麼……

2008年起，中國國家自然科學基金委員會和德國科學基金會聯合資助了「中國亞熱帶森林生物多樣性與生態系統功能實驗研究（Biodiversity-Ecosystem Functioning Experi-ment China，簡稱BEF-China）」項目，其中在江西德興市新崗山鎮建立了一個40公頃（約600畝）的大型森林控制實驗樣地。之所以選擇在那裡，因為中國的條件得天獨厚，擁有世界上亞熱帶森林生物多樣性最熱點的區域。

BEF-China是全世界25個森林實驗樣地之一，也是樹種最多、涉及多樣性水平最高、覆蓋地形最複雜的。

中方團隊負責人、中科院植物研究所研究員馬克平介紹，以往美國和歐洲的實驗更多集中在草地生態系統中，對陸地生態系統中生產力最高、組成複雜的森林生態系統的研究起步很晚，數量也很少。生態學家一度通過理論研究推測，森林生態系統生物多樣性的作用也許沒有草地強烈。

但BEF-China實驗結果推翻了這種說法。德國馬丁·路德大學教授Helge Bruelheide說：「在中國的森林生態系統實驗中，生物多樣性增加，森林儲存的碳就更多，木材產量因此快速增加，這一關係與草地生態系統是一樣的。」

如何獲得真實的實驗結果

在生態學實驗中，一直有一個困擾研究者的難題——如何取得真實的能被認可的實驗結果？

中國社會科學院科學技術與社會研究中心研究員肖顯靜就在新出版的《生態學實驗實在論：如何獲得真實的實驗結果》一書中闡釋過這個問題。生態學直接面對的是自然生態環境，研究的是自然界中存在的生態現象，因此，它與傳統科學實驗有本質的不同。

他認為，傳統科學實驗是運用各種實驗儀器，進行實驗室實驗，干涉實驗對象，迫使實驗對象展現其在通常情況下不可能展現出來的現象，進而認識這一現象。因此，「實驗室規律是科學規律，是實驗者在實驗室中經過一定的實驗操作所產生的人工自然規律，但不是自然規律」。

馬克平舉例道，在檢驗物種多樣性和生態系統功能關係，揭示作用機制的「生態箱」實驗、微宇宙實驗都由於種種問題而遭到質疑甚至是嚴厲的批評，即便是那些樣地控制實驗，也面臨空間異質性不足的問題。因此，它們得到的結論有時與自然觀測研究的結果不一致，很難達成真正的共識。

那麼，假設完全依賴天然生態系統的觀察測量是否可行？答案也是否定的。自然狀態下，由於生態系統在不同維度上的複雜性，有太多共同變化的因素導致通過科學研究確定因果關係變得非常困難——究竟是物種多樣性影響著系統生產力還是夾雜著別的條件？

所以，一個理想的生態系統實驗，就是要在儘可能逼近自然界中自在的狀態，同時，又具有人為的和自我的控制，從而找到獨立的因果關係。它的難度可想而知。

BEF-China的優勢在哪裡

BEF-China實驗設計的特色之一首先是物種最多。平台的物種庫由42種喬木（包括杉木和馬尾松兩個當地的主要造林樹種）和18種灌木構成。這種豐富度不僅僅是簡單的種間差異，還包括了其他維度，比如植物的功能多樣性、譜系差異，甚至是遺傳的多樣性。BEF-China也是全球森林實驗樣地中唯一一個涉及物種遺傳多樣性設計的。其次，由於覆蓋面積廣，樣地生境的異質性也很高。這些做法都是為了還原生態系統在自然狀態下的樣貌。

接下去的重點是實驗控制。研究人員在兩大自然坡地上，分別建立了樣地A和樣地B，兩個樣地都以1畝為基本單元樣方進行幼苗種植，共計566個，其中樣地A有271個，樣地B有295個。在1畝的基本樣方中，喬木物種水平分別是1、2、4、8、16和24種。此外，樣地設置了64個超級樣方，由4個1畝樣方組成，同時配置有灌木，物種水平分別為2、4、8種。也就是說，物種水平最高的樣方會有16種喬木和8種灌木或者24種全部為喬木。

可見，在這個實驗中，物種多樣性的梯度很豐富。

此外，根據研究設計，物種數量相同的樣方重複也非常多。馬克平解釋，樣方重複越多，統計學意義就越充分。而其中的小心思還在於，這些重複樣方雖然物種數量相同，但物種組合卻不同。

這麼做除為了更接近真實的自然狀態，還有一個原因。過去生態學家曾有過爭論，他們猜測，在豐富度越高的系統中，高產物種出現的可能性也更高，因此，是否有可能是那些優勢物種而非物種多樣性影響著系統生產力。那麼，不同的物種組合越多，在物種多樣性不高的系統里，就可以一定程度上弱化因高產物種出現概率問題而產生的影響。

總之，一切實驗控制設計中的巧思，最終都是為了突出物種豐富度的變化作為獨立的影響因素。

此後，經過8年數據監測得到的結果顯示，每公頃16個物種的混交林地上，生物量平均存儲約32噸碳。而每公頃純林的碳存儲僅為約12噸，還不及混交林的一半。

馬克平表示，這項研究第一次給出了確切的證明：在生態系統中，更高的生物多樣性就是直接導致更高碳儲量的原因。而且不僅種類豐富度，功能多樣性、譜系差異以及遺傳的多樣性在這個實驗中也都顯示出了一種相同的關係。

至於這層關係背後的機制，生態學界一直處於爭論狀態。中科院植物研究所副研究員劉曉娟表示，在這個實驗中，目前支持的是，無論隨著多樣性梯度的變化，還是時間尺度的變化，互補效應都在逐漸增強。

簡單說就是，一個系統越複雜，差異越大，經歷的時間越長，物種之間越容易相互補充，也能更有效地利用各種資源，從而維護該系統的存在和發展。

唯獨在空間尺度上，互補效應的變化不大。但這恰恰意味著，不管多麼不起眼的小生態系統，生物多樣性對生產力的影響都是一樣重要的。

從一粒種子到30萬棵樹木

為了如此複雜的大型森林控制實驗，來自中國、瑞士和德國的20多個大學及研究機構的科學家在這10年中投注的精力是難以想像的。

想要一片森林，就得從每一粒種子的採集開始。馬克平團隊花了兩年時間，才收集到了42種喬木的種子，在苗圃進行育苗，2009年春天開始正式栽種。

600畝山地，500多個樣方，30萬株樹苗要在兩年時間裡完全按照實驗設計插入相應位置，並做好標記。為了保證樹苗成長同步，必須限制栽種的時間跨度。劉曉娟回憶，工作強度最大的時候，他們每天需要僱傭100多位當地老鄉共同參與栽種。

這樣還沒完。因為栽種的樹苗不可能百分之百存活，他們每年都需要調查，迅速進行補種，直到2012年止。更讓研究人員痛苦的是，因為幼小的樹苗常常競爭不過野蠻的雜草，以致實驗的前五年，他們要花很大精力在除草上，直到現在這項工作也不能停止。

從2012年起，正式開始數據採集的階段。劉曉娟說，實驗地每年固定會有二三十個中國的研究人員，以及三四十個國際團隊的研究人員。通常從5月一直到11月，都有工作在進行，但主要集中在夏季，因為植物生長季末期也是研究取樣的高峰期。

除了這些科研工作，中外科學團隊還發起了科普傳播和文化教育的活動。他們定期為實驗基地周圍的學校教授語言課和科學課，向當地政府普及生態知識，介紹保護策略，也接受他們的諮詢。此外，瑞士的科研人員展開了社區研究工作，希望了解生態學實驗本身對社區居民的環境意識、保護政策的認知會產生什麼影響。

這項研究本身對促進公眾理解科學所產生的作用，是他們此前並沒有預料到的。

研究只告訴你，這條路走得通

BEF-China的初步研究成果讓生態學家更為確信，生物多樣性對生態系統功能的重要影響。但在現實林業領域，誤解仍然很普遍。

目前，全世界很多地區都在開展大型的植樹造林項目，希望種植更多的樹木以緩解氣候變化。在2010年至2015年間，僅在中國每年新種植的森林就超過150萬公頃。然而，這些新造林大部分為快速生長的純林。

BEF-China的主要設計者之一、瑞士蘇黎世大學教授Bernhard Schmid說，提高生產力和促進生物多樣性常常被認為是不能同時實現的。

「事實卻完全相反。我們的研究表明，不同的森林在保護環境緩減氣候變化中所起的作用並不相同。純種林只能達到理想預期一半的生態系統服務。最大限度地提高碳存儲及緩減全球變暖只能通過種植混種林來實現。」

此外，他還表示，混種林也能貢獻於保護世界瀕危物種。

最近，有不少林業系統人員主動聯繫馬克平，以期在相關領域展開合作。這是馬克平希望這項研究能帶來的努力和改變。

但他也有了新的困擾。「科學只負責給你講道理，技術要負責怎麼做更有效。兩個層面的問題一旦混淆，就錯了。」

馬克平的意思是，造林實踐絕不是複製實驗。具體到混交林如何選種、怎樣種植，制定什麼樣的政策，並不是BEF-China這一基礎科研平台能夠回答的。「它只告訴你，這條路走得通。」

因此，考慮到各個地區的環境異質性、不同的應用需求，以及與林木產業市場發展的銜接等因素，他希望，能有更多林業系統的機構積极參与實際應用轉化的工作，它們將完成重要的中間過程，從而推動更有效的混交林種植策略。

相關論文信息：DOI:10.1126/science.aat6405

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